Was ist nötig, um die Entdeckung des Higgs-Bosons zu behaupten?

HINWEIS: Ich empfehle, zuerst Noldorins Antwort zu lesen , um nützliche Hintergrundinformationen zu erhalten, und anschließend Matts Antwort , wenn Sie weitere Details wünschen

Noldorin hat Recht, dass es kein einziges Ereignis gibt, das man sich ansehen und ein Higgs-Boson identifizieren kann. Sofern die Theorien nicht drastisch falsch sind, ist das Higgs-Teilchen in der Tat instabil und hat eine außerordentlich kurze Lebensdauer – so kurz, dass es nicht einmal aus dem leeren Raum im Inneren des Detektors herauskommt! Selbst mit Lichtgeschwindigkeit kann es nur eine mikroskopische Distanz zurücklegen, bevor es in andere Teilchen zerfällt. (Wenn ich einige numerische Vorhersagen finde, werde ich diese Informationen bearbeiten.) Wir werden also nicht in der Lage sein, ein Higgs-Boson direkt zu entdecken .

Was die Wissenschaftler suchen werden, sind bestimmte Muster bekannter Teilchen, die Signaturen des Higgs-Zerfalls sind. Das Standardmodell sagt beispielsweise voraus, dass ein Higgs-Boson in zwei Z-Bosonen zerfallen könnte, die wiederum jeweils in ein Myon und ein Antimyon zerfallen. Wenn Physiker also sehen, dass eine bestimmte Kollision neben anderen Teilchen zwei Myonen und zwei Antimyonen erzeugt, besteht die Möglichkeit, dass sich irgendwo in dem Durcheinander von Teilchen, die bei dieser Kollision entstanden sind, ein Higgs-Boson befand. Dies ist natürlich nur ein Beispiel; es gibt viele andere Teilchengruppen, in die das Higgs zerfallen könnte, und die großen Detektoren am LHC sind darauf ausgelegt, nach ihnen allen zu suchen.

Natürlich ist der Higgs-Zerfall nicht das einzige, was zwei Myon-Antimyon-Paare hervorbringen könnte, und dasselbe gilt für andere mögliche Zerfallsprodukte. Das bloße Sehen der erwarteten Zerfallsprodukte ist also kein sicheres Zeichen für einen Higgs-Nachweis. Die wirklichen Beweise werden aus den Ergebnissen vieler Kollisionen (Milliarden oder Billionen) kommen, die sich im Laufe der Zeit angesammelt haben.

Für jeden möglichen Satz von Zerfallsprodukten können Sie den Bruchteil der Kollisionen, bei denen diese Zerfallsprodukte erzeugt werden (oder vielmehr den Streuquerschnitt, eine verwandte Größe), gegen die Gesamtenergie der Teilchen, die in die Kollision geraten, auftragen. Wenn das Higgs real ist, sehen Sie im Diagramm bei der Energie, die der Masse des Higgs-Teilchens entspricht, eine Spitze, die als Resonanz bezeichnet wird. Es sieht ungefähr so ​​aus wie dieser Plot, der für das Z-Boson erstellt wurde (das eine Masse von nur 91 GeV hat):

Das Bild stammt von http://blogs.uslhc.us/the-z-boson-and-resonances , was eigentlich ziemlich gut zu lesen ist.

Wie auch immer, um es zusammenzufassen: Die Hauptsignatur des Higgs-Bosons wird, wie bei anderen instabilen Teilchen, diese Resonanzspitze sein, die in einem Diagramm erscheint, das durch die Aggregation von Daten aus vielen Milliarden oder Billionen von Kollisionen erzeugt wird. Hoffentlich macht dies ein bisschen klarer, warum eine Menge detaillierter Analysen erforderlich sind, bevor wir eine eindeutige Erkennung oder Nichterkennung des Higgs-Teilchens erhalten.

Die Antwort von David Zaslavsky geht größtenteils in Richtung der Beantwortung der Frage "Was ist erforderlich, um die Entdeckung eines neuen Teilchens zu behaupten?", Sondern um die Entdeckung des zu behauptenHiggs-Boson, man braucht viel mehr. Das erste Anzeichen dafür, dass das Teilchen wirklich das vorhergesagte Higgs ist, sind die Zerfallsmodi, in denen es auftritt. Das Standardmodell macht eine spezifische Vorhersage für die Rate verschiedener Arten von Higgs-Ereignissen als Funktion seiner Masse. Es könnte zu zwei Z-Bosonen zerfallen, die jeweils zu zwei Myonen zerfallen, wie David Zaslavsky erklärte, aber nur, wenn es schwer genug ist. Wenn es leichter ist, würde es hauptsächlich in Bottom- und Anti-Bottom-Quarks zerfallen, die ziemlich schwer zu sehen sind, weil gewöhnliche starke Wechselwirkungen sie viel häufiger erzeugen. Es würde auch selten auf zwei Photonen zerfallen, aber dies ist ein deutliches Signal, das relativ einfach zu untersuchen ist. Die Rate und Art der beobachteten Ereignisse würde mit den Vorhersagen des Standardmodells für die beobachtete Masse verglichen. Wenn zum Beispiel ein Signal mit 4 Myonen auftaucht, aber bei einer Masse von nur 100 GeV würden wir wissen, dass wir nicht das Higgs sehen, sondern etwas Seltsameres und nicht Vorhergesagtes. Oder wenn ein 160-GeV-Teilchen häufig in zwei Photonen zerfallen würde, wüssten wir, dass es nicht das Higgs ist, das bei dieser Masse hauptsächlich in ein Paar Z- oder W-Bosonen zerfallen würde. Es sind also eine Reihe von Konsistenzprüfungen zwischen den Massen- und Zerfallsmodi durchzuführen. Es bedarf jedoch noch viel mehr, um wirklich sagen zu können, dass es sich um das Higgs handelt. Zum einen soll es ein Skalar sein, also ein Teilchen ohne Spin. Der Spin kann getestet werden, indem man sich die Winkeltrennung zwischen den Zerfallsprodukten ansieht. Das Higgs interagiert auch auf sehr spezifische Weise mit bekannten Teilchen; Diesbezüglich würden so viele Tests wie möglich durchgeführt. Selbst wenn das Teilchen nicht das Standardmodell-Higgs ist, könnte es in einer erweiterten Theorie immer noch eine Art Higgs-Boson sein, wie das supersymmetrische Standardmodell. Der Weg vom Entdeckenein neues Teilchen bis hin zu einer vollständig überzeugenden theoretischen Darstellung dessen, was das Teilchen ist, könnte möglicherweise langwierig sein und in Zukunft sogar andere Collider (wie den vorgeschlagenen International Linear Collider) einbeziehen.

Im Moment hoffen wir natürlich alle nur darauf, dass etwas entdeckt wird; Sobald dies geschieht, wird die Arbeit, genau festzulegen, was die Entdeckung bedeutet, spannend und wird jahrelang andauern.

Ich bin kein Teilchenphysiker, aber hier ist ein kleiner Überblick von dem, was ich verstehe.

Kollidierende Teilchen, insbesondere Hadronen (bestehend aus drei Quarks und einem Feld von Gluonen), sind durchaus in der Lage, sehr "chaotische" Kollisionen zu erzeugen, umso mehr bei höheren Energien. Mit "unordentlich" meine ich, dass die Variationen der möglichen Ergebnisse der Kollision (die Anzahl der verschiedenen Feynmann-Diagramme) ziemlich groß ist. Natürlich haben bestimmte Ergebnisse viel höhere Ergebnisse als andere, und die Wahrscheinlichkeiten dafür können in der Quantenfeldtheorie geschätzt werden. Auf jeden Fall kann es zu Zerfällen in alle möglichen Elementarteilchen (mit unterschiedlichen Ladungen, Spins, Massen usw.) kommen, und dann zu weiteren Zerfällen und so weiter.

Um zu überprüfen, ob ein Teilchen (hier das Higgs-Boson) wirklich das ist, was die Theorie vorhersagt, sind viele Experimentdurchläufe erforderlich, und es ist größtenteils nur ein komplexes Wahrscheinlichkeitsspiel. Da die Eigenschaften des Higgs nicht genau bekannt sind, suchen Teilchenphysiker nach Anzeichen für ein fehlendes Teilchen . dh eine Verletzung eines Erhaltungsgesetzes bei der Kollision (typischerweise Energie oder Impuls). Dies ist ein guter Hinweis darauf, dass es ein unbekanntes Teilchen gibt, das nicht berücksichtigt wurde. (Zum Beispiel sind Neutrinos viel zu schwach wechselwirkend, um direkt nachgewiesen zu werden, und wurden zuerst entdeckt, indem festgestellt wurde, dass eine kleine Energie fehlte).

Im Moment wissen wir aus früheren experimentellen Daten nur, dass die Untergrenze für die Masse des Higgs-Bosons 115 GeV/c² beträgt – ziemlich hoch, aber theoretisch gut im Bereich des LHC. Das hilft uns ein wenig dabei zu wissen, wo wir suchen müssen, aber am Ende des Tages ist es das immer wieder Zusammenschlagen von Protonen, das Ihnen ziemlich grob die endgültige Entdeckung liefert!

Eine Antwort, die in den guten Zusammenfassungen oben fehlt, ist der wahre Grund, warum es zwei Versuchsaufbauten am LHC gibt. Unabhängige Verifizierung durch Experimente mit unterschiedlichen systematischen Detektor- und Rechen-/Methodikfehlern. Ein relativ neues Beispiel war die 3-Sigma-Ankündigung des Higgs bei 114 GeV durch ALEPH , dessen Sigma auf nicht nachweisbar reduziert wurde, als die anderen drei Experimente keine Resonanz sahen.

Detektorfehler sollten offensichtlich sein, unterschiedliche Genauigkeiten und Methoden zum Sammeln von Informationen könnten ein unerwartetes "Signal" einleiten.

Rechen- und Methodenfehler sind heimtückischer und beruhen meist auf der soziologischen Beobachtung, dass große Menschengruppen, selbst wenn es sich um Physiker handelt, bei genügend Enthusiasmus in die falsche Richtung abheben können (Herden-Rudel-Mentalität). Die Geschichte hat die neutralen Wechselströme aufgezeichnet, zum Beispiel „jetzt siehst du sie, jetzt nicht“, weil solche schweren Namen hinter den „Entdeckungen“ standen.

Es sind also mindestens zwei unabhängige Bestätigungen zwingend erforderlich.